CN101608294A

CN101608294A - 金属材料热处理的方法和装置

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Publication number: CN101608294A
Application number: CNA2009101462242A
Authority: CN
Inventors: 伯恩德·埃登霍弗; 亨德里克·格罗布勒; 彼得·哈泽
Original assignee: Ipsen International GmbH
Current assignee: Ipsen International GmbH
Priority date: 2008-06-20
Filing date: 2009-06-22
Publication date: 2009-12-23
Anticipated expiration: 2029-06-22
Also published as: US8313586B2; DE102008029001B3; EP2135961A3; RU2009123209A; EP2135961B1; CN101608294B; JP2010001567A; PL2135961T3; EP2135961A2; US20090314388A1

Abstract

本发明包括一种用于在工业炉(1)中对材料气体渗碳的保护气体再循环系统及其方法和装置，其中，所述成分二氧化碳、氧气和水蒸汽与输入的反应气体催化反应生成一氧化碳和氢气，以便然后将已经“用过”的保护气体作为在回收空间(3)中回收的保护气体再次供应到处理空间(2.1)中的一个或多个位置(2.2)，使得形成真正的循环过程，并且气体渗碳可以在节约保护气体的情形下连续进行。

Description

金属材料热处理的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种在工业炉中在使用保护气体和反应气体的情形下热处理金属材料的方法和装置，该工业炉包括带有处理空间的加热腔和淬火腔。

背景技术

为在工业炉中热处理金属材料，已经公知的是，使用用于热处理炉的催化剂，以便通过催化剂的支持加速反应动力。

其中，DE3632577记载了一种催化剂床，DE3888814记载了炉的具有网状结构的如同催化剂的衬里，DE4005710记载了包含Ni，Mn，Cr以及Fe的全金属氧化催化剂，以及DE4416469记载了一种借助于Ni或Cu-催化剂的两级氮碳共渗。

DE69133356也从本领域技术出发，在用于气体渗碳方法的热处理炉中使用催化剂。

进一步发展的技术根据DE69013997，在炉环境中使用起催化剂作用的搅拌装置，根据DE69401425，则在用于热处理的炉中使用基于镍氧化物的催化剂部分，以及根据DE29908528，使用一种与热处理设备连接的催化剂单元。

如果人们追踪发展趋势，那么可以发现，

-按GB1069531，在碳化气体下的金属的热处理

-按US3620518，在带有由镍氧化物制成的催化剂衬里的淬火炉中进行工件表面的处理，该衬里敷设在陶瓷内壁上并且增大了可用的表面积；

-根据US4294436，使用用于在保护气体中热处理金属部件的炉，在炉中具有用镍制成的催化剂壁，

-按照US5465808，催化氧化物与气流中的碳化合物以及

-根据US2006/0081567，用等离子体支持的材料处理以及

-根据JP62199761

热处理和渗碳过程看来在带有各种类型的催化剂的炉中完成，这一点由现有技术中的其它例子证明。

总的来说，广泛公知有这样的用于气体渗碳的方法和炉，其具有

-耐火的衬里

-由Ni，Cu，Mn，Cr，Fe等以及铂制成的金属催化剂

-陶瓷衬里上的催化剂层

-网状的催化剂衬里，以及

-催化搅拌器和/或

-催化衬里的表面增大。

所有这些方法和装置针对

-节约保护气体，减少热能损失和

-为渗碳按需地输入例如C/天然气以及

-调节保护气体中的C-含量，以及排除不可调节/不希望的反应，

提出了限定，这些限定在工业炉中的催化剂的另一种结构设计中仅具有少量优点。

根据这些记录的现有技术，在保护气体下热处理金属材料(如在气体渗碳时)的实际流程这样排列，即，热处理炉以减少的保护气体吹气。该保护气通常由一氧化碳、氢气、水蒸汽、二氧化碳和氮气组成。吹气导管设在加热腔内。通常，该加热腔连接有作为所谓退火腔的冷的处理腔。两个腔室通常通过透气的门隔开。供入加热腔中的气体因此也到达冷的处理腔中。从处理腔出来之后，保护气体被排出到燃烧位置，通过点火燃烧器可靠地点火并燃烧。

在此涉及连续的冲洗过程，然而，该冲洗过程伴随着冷的处理腔的燃烧位置上持久的大量气体损失。

但是热处理炉的这种连续冲洗在目前是必需的，以便首先能够将在门打开之后进入炉内的、不希望的气体，例如空气再次从炉中冲出也或可以快速地改变C-含量(气体交换)，其次在加热腔中保持类似静态的平衡。如果没有连续的冲洗，那么作为与部件的渗碳反应的产物，加热腔中的二氧化碳、氧气和水蒸汽的浓度不断升高，因为与同样供入的天然气的还原反应比渗碳反应进行得更慢。这意味着，尽管为为气体积聚输入例如天然气作为反应气体，碳水平还是一直不断地下降。仅当通过冲洗，也就是保持关于CO和H₂的稳定的气体浓度，碳含量才可调节。

实践认识证实了迄今为止的方法的前述缺点，之后，由于冲洗炉子而导致永久高的气体损失，由于开放的系统而发生了保护气体热量的能量损失和过程热量的损失。

因此，在渗碳时由于冲洗而流失了比为将材料如部件渗碳而实际需要量要大得多的碳质量流量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，在保持通常公知的炉结构和催化剂的情况下，创造一种用于在工业炉中对金属材料热处理的方法和装置，该工业炉包括带有处理空间的加热腔和淬火腔，为回收保护气体，使用

-如保护气体的第一处理介质，其除了至少的成分一氧化碳、氢气和氮气外还具有二氧化碳、氧气和水蒸汽成分，以及

-如反应气体的第二处理介质，其可用于渗碳过程，

以便节约保护气体，减少热能损失，根据渗碳需要地输送如天然气的碳氢化合物以及调节保护气体中的C-含量以及排除不可调节/不希望的反应。

按照本发明，该技术问题由此解决，即

a)成分二氧化碳、氧气和水蒸汽与作为反应气体输送的碳水化合物在用于工业炉的热处理腔的回收空间内催化反应得到一氧化碳和氢气，该回收空间在结构或功能上配属于处理空间并具有催化剂床，以及

b)通过使用催化剂床上的催化剂加速反应，

c)在该反应之后保护气体在处理空间中具有被调节的C-含量，其中

d)如此处理过的保护气体被循环地输送到加热腔的处理空间。

在催化剂床上使用的催化剂应有利地具有镍，铂，钯或铑。

在每个主动的用于气体渗碳过程碳转化阶段，以供应反应气体的形式仅供应为气体渗碳所需那样多的碳。

使用天然气作为反应气体。

在气体渗碳过程中，在处理空间中进行以下反应

2CO-＞C+CO₂

CO+H₂-＞C+H₂O

CO-＞C+0.5O₂

其中，之后C-含量下降而CO₂，H₂O和O₂的体积百分比上升。

在回收空间内在催化剂床上发生按如下反应的气体积聚：

2CH4+O2→2CO+4H2

CH₄+CO₂→2CO+2H₂

CH₄+H₂O→CO+3H₂

其中C-含量上升，而CO₂，，H₂O和O₂的体积百分比下降。

根据本发明，C-含量(碳含量)始终借助于气体分析和温度测量进行调节。

为调节碳含量，这样地使用空气和碳氢化合物气体，即，使得C-含量应下降时供入定量的空气；在希望C-含量上升时则输入碳氢化合物气体。

根据方法的第一种变型，存在于加热腔的处理空间中的C-含量在输入碳氢化合物后在催化剂床上被调节。

根据方法的第二种变型，存在于加热腔的处理空间中的C-含量通过向处理空间输入碳氢化合物调节，其中，碳氢化合物再循环地在催化剂床上反应。

然后，当存在不允许的压力升高时，保护气体被输送到燃烧位置点燃并燃烧，所述运行压力由此被调节，或者当一次短时间的冲洗过程需要这样的压力调节时也这么做。

相宜地，工作压力优选在1至10mbar之间。

在运行压力下降时可以相应输入反应气体和空气或保护气体。可能出现的H₂过量被排除。

该方法规定，即，进行强制循环的气体导引，该气体导引为避免不希望的反应，如形成烟灰，尽可能等温地进行。

强制循环的气体导引可以借助于从加热腔的区域内无气体冷却地、循环地抽取气体实现，或可选借助于从淬火腔的区域内循环抽取气体实现。

为在包括带有处理空间的加热腔和具有催化剂床的回收空间以及淬火腔的工业炉中执行该方法，根据本发明使用一种装置，其带有：

a)进行气体分析并与回收空间相应的C-含量调节器，

b)循环装置，用于再循环的保护气体以及调节输送的空气和反应气体的循环和

c)处于燃烧位置的气密的阀，带有压力调节器和在压力下降时充气的功能，其中

d)所述部分a)至c)功能性地集成在一个调节回路中。

在从加热腔区域抽吸气体时，设置将加热腔与淬火腔气密密封的内门。

另一方面，在从淬火腔的区域抽吸气体时，在加热腔和淬火腔之间设置不气密地封闭的内门，其中，在这种情况下，淬火腔必须具有气密地封闭的外门。

处理空间具有用于供应保护气体和/或供应碳氢化合物的第一供料位置。

回收空间具有用于供应碳氢化合物的第二供应位置。

带有催化剂床的回收空间可以与处理空间局部分隔。

C-含量调节器出于功能需要，包括O₂-传感器，CO-分析器和温度测量装置。

因此，本发明针对一种用于气体渗碳的新型保护气体再循环系统，其中，二氧化碳，氧气和水蒸汽成分与输入的碳氢化合物(例如天然气)又催化反应生成一氧化碳和氢气。

回收已经“使用过”的保护气体，即C-含量低的保护气体是有利的。

还原反应通过催化剂的支持加速进行，其中，为此必须使用恰当的催化剂。

替代示出的C-含量调节器可有利地借助于气体分析进行。“回收”的保护气体然后可以再次输送到供应位置，使得形成真正的循环过程并且继续气体渗碳。

对于该再循环系统，装置方面的前提条件可以根据各方法变型通过气密的内门或气密的外门实现。借助于气密的阀的燃烧必须一如既往地在不允许的压力升高在炉中开启，以便调节运行压力。在此，工作压力应位于10和100mmWS之间或1至10mbar之间。

为了在运行压力下降时再次提升压力，例如可以输入适量的天然气和空气或保护气体。

当炉中的氢气浓度过高时，必须通过恰当的措施将氢气从工艺过程中清除，该氢气浓度可能在供入大量的碳氢化合物时出现。

该方法的优点在于节约了大量保护气体。燃烧的热能损失可以降到最低。在渗碳过程的每个碳转化阶段，以天然气形式仅须供应如气体渗碳所需那样多的碳。

另一优点在于，C-含量的调节与公知的变型一致。因此，由于直接的碳氢化合物-分解，排除了对部件的渗碳。

气体导引可以尽可能等温地进行，以避免不希望的反应，如产生烟灰。

因此，调节C-含量的、催化的就地产生保护气体与热处理炉中的流动再循环在功能上组合起来，从而得到了一种具有所述有利功效的、意料不到的新型效果。

对方法来说，典型的是，热处理的方法阶段与反应气体回收的各阶段逐一关联。

因此，可避免出现H₂过量，从而不会对方法过程造成干扰。

在满足要求的同时，该方法带来这样的技术效果，即，尤其在渗碳过程的每个碳转化阶段，例如以天然气形式仅供应气体渗碳过程所需量的碳，以及由于CH₄-分解，排除了工件的渗碳。

与开头所述的现有技术中的方案(在这些技术方案中，催化剂的形成和功能是进一步发展的主要目的)相反，通过按本方法的发明将取得气体导引的质的新技术效果。

如果本领域技术人员评估按本发明的所有有利的效果，将发现开头所述的缺点，如

-与连续冲洗过程相关的冷处理腔燃烧位置上的大量气体损失或

-碳含量水平的下降，即便例如补入了用于气体积聚的天然气作为反应气体，或

-保护气体热量值的能量损失以及由于开放系统引起的过程热量的损失或

-由于冲洗，在渗碳过程中所需的碳质量流量消耗更多

按本发明将不再出现。

附图说明

附图示出了工业炉的简化视图以及方法的反应流程示意图和装置结构变型的、对于本发明重要的特征。

具体实施方式

附图在简化视图中使出了实际中使用的工业炉1，其包括带有处理空间2.1的加热腔2和带有催化剂床3.1的回收空间3，并具有配设的淬火腔8。

在该实施形式中，带催化剂床3.1的回收空间3在结构上与处理空间2.1连接，但也可以局部分开并在功能上相关，在此没有示出该结构设计。

催化剂床3.1的材料和结构可以使用现有技术中公知的材料和结构，也可以使用汽车制造业中公知的催化剂系统。

反之，对于本发明典型的是，为实施按本发明的、借助于按本发明回收的保护气体热处理金属材料的方法，设计用于工业炉1的装置包括

a)带有O₂-传感器5.1，CO-分析器5.2和温度测量装置5.3的C-含量调节器5，它们与催化剂床3.1对应，

b)用于再循环保护气体循环的循环装置4，它调节地输送空气11和天然气10，以及

c)处于燃烧位置6的气密的阀6.1，带有压力调节器6.2并具有在压力下降时充气的功能。

所述部件形成一中对本发明装置的、对于本发明重要的功能调节回路R。

就方法而言，必需的是，为处理空间2.1配设用于供应回收的保护气体和/或供应碳氢化合物的第一供应位置2.2，并为回收空间3配设用于供应碳氢化合物的第二供应位置3.2。

因此，根据过程-或结构设计，确定第一供应位置2.2用于流程的功能有

-供应保护气体；

-供应保护气体或供应碳氢化合物；

-供应保护气体和供应碳氢化合物。

在该实施形式中，为了再循环地从加热腔2的区域中无气体冷却地抽吸气体，气密地封闭的内门7位于加热腔和之后的淬火腔8之间。在此处未示出的结构变型中，在从淬火腔8的区域中吸取气体时，内门7不气密封闭地设置在加热腔2和淬火腔8之间，但淬火腔8为此配设有气密封闭的外门9。相对现有技术中所述的所谓开放系统以及透气的门，这两个结构变型对本发明的方法来说均为的重点，并且也在其方法功能上支持调节回路R的系统。

在该方法中回收保护气体的新方法在按本发明如上设置的工业炉1中按以下方法步骤运行：

在工业炉1的具有催化剂床3.1的回收空间3中，作为保护气体输入的成分二氧化碳、氧气和水蒸汽与输入的反应气体如天然气催化反应，从而得到一氧化碳和氢气。

C-含量根据需要借助于带有O₂-传感器5.1，CO-分析器5.2和温度测量装置5.3的C-含量调节器5这样地调节，使得回收的保护气体可以再循环地在第一供应位置2.2再次输入到处理空间2.1中。

在此，在处理空间2.1中进行以下反应：

2CO→C+CO₂

CO+H₂→C+H₂O

CO→C+0.5O₂，

其中，C-含量下降而CO₂，H₂O和O₂的体积百分比上升。

在本实施形式中位于加热腔2下部的催化剂床3.1上，也就是在回收空间3中，又按以下反应进行气体积聚：

2CH₄+O₂→2CO+4H₂

CH₄+CO₂→2CO+2H₂

CH₄+H₂O→CO+3H₂，

其中，之后C-含量上升而CO₂，H₂O和O₂的体积百分比下降。

因此，这些反应满足按本发明所希望的保护气体回收的条件，现在，保护气体再循环地加入热处理过程。

从本领域技术人员的角度看，这些反应这样理解，即，为调节碳含量当然也要使用空气和所述的碳氢化合物气体。也就是说，当C-含量应该下降时供应一定量的空气；另一方面，在希望C-含量升高时，输入碳氢化合物气体。

在此，在处理空间2.1中的C-含量的调节也在供应碳氢化合物之后通过催化剂床3.1上的供应位置3.2设定，以便根据需要调节C-含量。

在处理空间2.1中的C-含量的调节也可以与之不同地在供应碳氢化合物之后通过处理腔2.1中的第一供应位置2.2实现，并且在此碳氢化合物在催化剂床3.1上再循环地反应。

如果在不允许的压力升高时必须进行燃烧，保护气体必要时可以被输送到燃烧位置6点燃并燃烧，以便调节运行压力，或当短暂的清洗过程需要这样的压力调节时也这么做。

这也可以是这样的情形，例如在加热阶段必须冲洗处理腔，以去除损害工艺过程的杂物或为了在过程中进行气体交换，例如C-含量迅速从1.3％C下降到0.6％C。

工作压力优选可以处在1...10mbar，更高的压力是可能的。

在运行压力下降时可以相应地输入作为反应气体的天然气10和空气11或保护气体。

有利的是，热处理的方法阶段与保护气体回收的阶段逐一关联，因此，本来的热处理过程还可以连续且没有延迟地运行。

因方法造成的可能出现的H₂过量可以毫无困难地排除，而不必中断方法过程。

按照方法规定，借助于循环装置4强制循环的气体导引力求等温，以避免不希望的反应，如形成烟灰。

因此，根据该方法，为热处理在此未示出的材料，回收的保护气体被再循环地供应，由此总体形成了一可调的真正的循环过程。

内部测试已经证明了本发明的所述优点和应用方面的可应用性以及其方法和装置在工业炉中的实现。

附图标记列表

1工业炉

2加热腔

2.1处理空间

2.2第一供应位置

3回收空间

3.1催化剂床

3.2第二供应位置

4循环装置

5C-含量调节器

5.1O₂-传感器

5.2CO-分析器

5.3温度测量装置

6燃烧位置

6.1气密的阀

6.2压力调节器

7内门

8淬火腔

9外门

10碳氢化合物输送

11空气输送

R调节回路

Claims

1.一种用于在工业炉(1)中热处理金属材料的方法，该工业炉包括带有处理空间(2.1)的加热腔(2)和淬火腔(8)，其中使用

-如保护气体的第一处理介质，该第一处理介质除了至少的成分一氧化碳、氢气和氮气之外还具有二氧化碳、氧气和水蒸汽成分，以及

-如反应气体的第二处理介质，该第二处理介质可用于渗碳过程，其中，为回收保护气体

a)成分二氧化碳、氧气和水蒸汽与作为反应气体输送的碳氢化合物在用于所述工业炉(1)的加热腔(2)的、在结构或功能上配属于所述处理空间(2.1)的、具有催化剂床(3.1)的回收空间(3)内催化反应得到一氧化碳和氢气，以及

b)通过使用所述催化剂床(3.1)上的催化剂加速反应，

c)在该反应之后，在所述处理空间(2)中的所述保护气体具有被调节的C-含量，其中

d)如此处理过的保护气体被再循环地输送到所述加热腔(2)的处理空间(2.1)。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述催化剂床(3.1)上使用镍、铂、钯或铑作为催化剂。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在每个主动的用于气体渗碳过程的碳转化阶段以供应反应气体的形式仅供应为气体渗碳所需那样多的碳。

4.如权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，使用天然气作为反应气体。

5.如权利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，在气体渗碳过程中在所述处理空间(2.1)进行以下反应

2CO →C+CO₂

CO+H₂ →C+H₂O

CO →C+0.5O₂

其中，之后C-含量下降而CO₂，H₂O和O₂的体积百分比上升，而在所述回收空间(3)内在所述催化剂床(3.1)上发生按以下反应的气体积聚

2CH₄+O₂→2CO+4H₂

CH₄+CO₂→2CO+2H₂

CH₄+H₂O→CO+3H₂

其中，C-含量上升而CO₂，H₂O和O₂的体积百分比下降。

6.如权利要求1至5之一所述的方法，其特征在于，所述C-含量借助于气体分析调节并进行温度测量。

7.如权利要求1至6之一所述的方法，其特征在于，存在于所述加热腔(2)的处理空间(2.1)中的C-含量在供应碳氢化合物之后在所述催化剂床(3.1)上调节。

8.如权利要求1至6之一所述的方法，其特征在于，存在于所述加热腔(2)的处理空间(2.1)中的C-含量通过向所述处理空间(2.1)供应碳氢化合物调节，其中，所述碳氢化合物再循环地在所述催化剂床(3.1)上反应。

9.如权利要求1至8之一所述的方法，其特征在于，当存在不允许的压力升高时，所述保护气体被输送到燃烧位置(6)点燃并燃烧，所述运行压力由此被调节，或当一次短暂的清洗过程需要这样的压力调节时也这么做。

10.如权利要求1至5之一所述的方法，其特征在于，所述工作压力优选在1至10mbar。

11.如权利要求1至6之一所述的方法，其特征在于，在运行压力下降的情况下相应输入反应气体和空气或保护气体。

12.如权利要求1至11之一所述的方法，其特征在于，可能出现的过量H₂被分离。

13.如权利要求1至12之一所述的方法，其特征在于，进行强制循环的气体导引，该气体导引为避免不希望的反应如形成烟灰在很大程度上等温地进行。

14.如权利要求1至12之一所述的方法，其特征在于，所述强制循环的气体导引借助于从所述加热腔(2)的区域再循环地抽吸气体没有气体冷却地实现。

15.如权利要求1至12之一所述的方法，其特征在于，所述强制循环的气体导引借助于从所述淬火腔(8)的区域中再循环地抽吸气体进行。

16.一种用于实施所述方法的装置，包括带有处理空间(2.1)的加热腔(2)和结构或功能上配属的、具有催化剂床(3.1)的回收空间(3)以及淬火腔(8)的工业炉(1)，其特征在于，

a)进行气体分析并与所述回收空间(3)相应的C-含量调节器(5)，

b)循环装置(4)，用于再循环的保护气体以及调节输送的空气和反应气体的循环和

c)处于燃烧位置(6)的气密的阀(6.1)，带有压力调节器(6.2)并具有在压力下降时充气的功能，其中

d)所述部件a)至c)功能性地集成在一个调节回路(R)中。

17.如权利要求16所述的装置，其特征在于，在从所述加热腔(2)的区域抽吸气体时设置一将所述加热腔(2)与所述淬火腔(8)气密地封闭的内门(7)。

18.如权利要求16所述的装置，其特征在于，在从所述淬火腔(8)的区域抽吸气体时在所述加热腔(2)与所述淬火腔(8)之间设置不气密地封闭的内门(7)，并且所述淬火腔(8)具有气密地封闭的外门(9)。

19.如权利要求16至18之一所述的装置，其特征在于，所述处理空间(2.1)具有用于供应所述保护气体和/或供应所述碳氢化合物的第一供应位置(2.2)。

20.如权利要求16至18之一所述的装置，其特征在于，所述回收空间(3)具有用于供应碳氢化合物的第二供应位置(3.2)。

21.如权利要求16至20之一所述的装置，其特征在于，带有催化剂床(3.1)的所述回收空间(3)与所述处理空间(2)局部分开。

22.如权利要求16至21之一所述的装置，其特征在于，所述C-含量调节器(5)包括O₂-传感器，CO-分析器(5.2)和温度测量装置(5.3)。